新型陣列式微慣性測量系統(tǒng)實現(xiàn)準(zhǔn)確位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)采集

慣性導(dǎo)航是目前國內(nèi)緊缺的高新技術(shù)，市場需求多、發(fā)展?jié)摿Υ蟆?a target="_blank">MEMS慣性傳感器雖然具有微型化、成本低等優(yōu)點，然而，單一的消費級MEMS慣性傳感器存在測量誤差大、穩(wěn)定性差等缺陷，這會導(dǎo)致MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲取的姿態(tài)、運動數(shù)據(jù)精度差，無法滿足高新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。因此研究價格低、精度高、穩(wěn)定性好的微慣性測量系統(tǒng)是十分有必要的。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，針對消費級MEMS慣性傳感器測量誤差不佳、穩(wěn)定性不好，無法服務(wù)于高精度的應(yīng)用，以及工業(yè)級MEMS慣性傳感器價格昂貴等缺陷，蘇州大學(xué)的研究團隊通過研究陣列式MEMS微慣性測量單元（IMU）技術(shù)方案，設(shè)計了一款新型陣列式微慣性測量系統(tǒng)，精度相較于單個慣性傳感器提升至少5.7倍，實現(xiàn)準(zhǔn)確位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，具有精度高、體積小、應(yīng)用廣泛的特點。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《電子電路設(shè)計與方案》期刊。

該陣列式MEMS-IMU系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括MEMS傳感器陣列模塊、微處理器模塊、并行數(shù)據(jù)總線，傳感器陣列模塊由32個消費級微慣性傳感器CM20948構(gòu)成，負責(zé)感知環(huán)境，采集當(dāng)前的加速度、角速度數(shù)據(jù)。軟件系統(tǒng)中設(shè)計了數(shù)據(jù)采集、分析、標(biāo)定算法，通過并行數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)多個傳感器的同步數(shù)據(jù)獲取，并且對多個傳感器進行多數(shù)據(jù)融合處理，使得該設(shè)計系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)延遲很小。系統(tǒng)體積小巧，整個電路板的尺寸僅為40mm × 61mm × 9mm，具有很高的便攜性和性價比。

圖1 陣列傳感器硬件實物

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 程序運行示意圖

Allan方差是量化噪聲的一種常用方法，適用于鑒別測量數(shù)據(jù)中不同類型的噪聲，可以用來評估傳感器參數(shù)穩(wěn)定性，Allan方差的值越小，傳感器精度越好。測試結(jié)果表明，該陣列式MEMS-IMU系統(tǒng)的Allan方差顯著好于單個消費級慣性傳感器。相較于單個慣性傳感器，測量精度提升了約5.7倍，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集。

圖4 陣列式MEMS-IMU系統(tǒng)與單個慣性傳感器Allan方差性能對比

表1 陣列式微慣性測量系統(tǒng)性能參數(shù)

該新型陣列式MEMS-IMU系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測量出載體的加速度、角速度，實現(xiàn)實時監(jiān)測載體運動情況，具備高精度、小體積的特點，具有一定的實用價值。

審核編輯：郭婷